(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を直流に変換するコンバータユニットを複数個並列に接続したコンバータ装置と、充放電が可能な蓄電池と、直流を交流に変換するインバータユニットを複数個並列に接続したインバータ装置とを備え、前記コンバータ装置の入力に交流電源を、前記コンバータ装置の出力に前記蓄電池と前記インバータ装置を、前記インバータ装置の出力に負荷を、各々接続し、負荷電力又は負荷電流に応じて、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数を制御する無停電電源装置において、
前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数の切替え動作中における前記蓄電池のエネルギーの充電又は放電動作を抑制する充放電抑制手段と、前記蓄電池の代わりにそのエネルギーを補償するエネルギー補償手段と、を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
前記充放電抑制手段は、前記無停電電源装置から前記蓄電池を切り離すスイッチ回路であることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
【請求項３】
前記充放電抑制手段は、キャパシタと、キャパシタの充放電動作を制御するキャパシタ充放電制御回路とで構成したエネルギー補償手段を、前記蓄電池と並列に接続し、前記エネルギー補償手段の出力電圧を前記蓄電池電圧より高く設定することを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
【請求項４】
前記エネルギー補償手段は、キャパシタと、キャパシタの充放電動作を制御するキャパシタ充放電制御回路とで構成し、前記蓄電池又は蓄電池と前記充放電抑制手段との直列回路と並列に接続することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の無停電電源装置。
【請求項５】
交流を直流に変換するコンバータユニットを複数個並列に接続したコンバータ装置と、充放電が可能な蓄電池と、直流を交流に変換するインバータユニットを複数個並列に接続したインバータ装置とを備え、前記コンバータ装置の入力に交流電源を、前記コンバータ装置の出力に前記蓄電池と前記インバータ装置を、前記インバータ装置の出力に負荷を、各々接続し、負荷電力又は負荷電流に応じて、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数を制御する無停電電源装置において、
前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数の切替え動作中における前記蓄電池のエネルギーの放電動作を抑制する放電抑制手段を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項６】
前記放電抑制手段は、キャパシタと、キャパシタの充放電動作を制御するキャパシタ充放電制御回路とで構成したエネルギー補償手段を、前記蓄電池と直列にダイオードを接続した蓄電池・ダイオード直列接続回路と並列に接続し、前記エネルギー補償手段の出力電圧を前記蓄電池の電圧よりも高くすることを特徴とする請求項５に記載の無停電電源装置。
【請求項７】
前記蓄電池の充電は、交流入力電源から交流−直流変換形の充電器を介して行うことを特徴とする請求項５又は６に記載の無停電電源装置。
【請求項８】
前記蓄電池の充電は、コンバータ装置の出力から直流−直流変換形の充電器を介して行うことを特徴とする請求項５〜７のいずれか1項に記載の無停電電源装置。
【請求項９】
前記キャパシタ充放電制御回路は、任意の直流電圧を別の任意の直流電圧に双方向に変換することが可能な直流−直流変換回路であることを特徴とする請求項３、４、６のいずれか1項に記載の無停電電源装置。
【請求項１０】
前記キャパシタは、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項３、４、６のいずれか1項に記載の無停電電源装置。
【請求項１１】
前記キャパシタは、電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項３、４、６のいずれか1項に記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のコンバータユニット及びインバータユニットをそれぞれ並列接続し、負荷電力又は負荷電流に応じて、コンバータユニット及びインバータユニットの運転台数を制御する無停電電源装置に関し、特に切替え動作中における蓄電池の充放電を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な無停電電源装置（ＵＰＳ）は、交流を直流に変換するコンバータ部と、直流に変換された電力を蓄える蓄電池と、直流を交流に変換するインバータ部から構成される。特許文献１に示すように、装置の長寿命化や高効率化（発生損失の低減）を図るために、コンバータ部及びインバータ部をそれぞれ複数台のユニットに分割し、運転中に負荷電力又は負荷電流に適した運転台数に制御する方法が知られている。
【０００３】
図８に、コンバータユニット及びインバータユニットをそれぞれ複数台並列接続し、負荷電力又は負荷電流に応じて、運転台数を制御する無停電電源装置の従来例を示す。図８において、１は交流電源、２はｎ台（ｎは整数）のコンバータユニット２−１〜２−ｎで構成されたコンバータ装置、６はコンバータ装置２の出力とインバータ装置７の入力とを接続した直流母線に接続された蓄電池、７はｎ台（ｎは整数）のインバータユニット７−１〜７−ｎで構成されたインバータ装置、８は負荷、９は負荷電流を検出する電流検出器、１０はインバータユニットの運転台数を制御するインバータ運転台数制御回路、１１はコンバータユニットの運転台数を制御するコンバータ運転台数制御回路である。
【０００４】
このような構成おいて、コンバータ装置２は蓄電池６を充電しながら、インバータ装置７へ直流電力を供給している。また、装置運転中の負荷電流を電流検出器９により検出し、その検出結果から、コンバータ運転台数制御回路１１及びインバータ運転台数制御回路１０が必要な運転台数を算出し、これを現在運転している台数と常に比較し、負荷に必要な運転台数に制御する。このような制御を行なうことによって、例えば、軽負荷時などにおいては、過剰な運転台数を減らすことにより、コンバータユニット或いはインバータユニットを効率的に運転することができ、装置の高効率化や長寿命化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２８５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図９に、コンバータユニット（最大出力電流＝Ｉ１：図１０参照）が２台並列接続された場合の従来回路例を示す。また、図１０に図９の回路例における負荷急変時の各部動作波形を示す。図９において、当初の要求負荷（電流検出器９で測定された負荷電流）がＩ１のとき、運転台数制御回路１１が、コンバータユニット２−１の運転信号をオン、コンバータユニット２−２の運転信号をオフにして、コンバータユニット２−１のみで負荷電流Ｉ１を負担させている。このとき、図１０に示すように、負荷急変によって要求負荷がＩ２（ここでは、Ｉ１の２倍の電流とする）になった時、コンバータユニット２−１だけでは負荷電流を負担できなくなるため、運転台数制御回路１１が、コンバータユニット２−２の運転信号もオンにして、コンバータユニット２−１とコンバータユニット２−２とで負荷電流Ｉ２を分担させる。このように、負荷急変時においても、負荷電流の大きさに応じて、運転台数を切替える。
【０００７】
しかしながら、コンバータユニット２−２の運転信号がオンになってから、実際にコンバータユニット２−２が動作するまでには、制御遅れなどの影響によって、少なからずとも遅れ時間Δtが発生する。その結果、この動作遅れ時間Δtの期間中の負荷への電力供給は、図１０に示すように、蓄電池からの放電によって賄うことになり、蓄電池が本来動作を想定している停電時以外にも充放電動作してしまうことになる。
【０００８】
上述のように、コンバータユニット或いはインバータユニットの運転台数を制御する無停電電源装置では、負荷急変などによる運転台数の切替え動作毎に、蓄電池が充放電動作を繰り返してしまうことになるので、蓄電池の劣化を加速する要因となる。その結果、装置寿命が短くなってしまう可能性がある。
【０００９】
また、負荷急変時、コンバータの制御応答遅れ等により、直流電圧が変動する場合も同様に蓄電池が充放電動作することになり、同様に蓄電池の劣化を加速する要因となる。
本発明は上記の問題を鑑みてなされたもので、運転台数の切替え動作や負荷急変時の制御応答遅れなどが要因で蓄電池が劣化することを抑制し、コンバータユニット或いはインバータユニットの運転台数を制御できる無停電電源装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、交流を直流に変換するコンバータユニットを複数個並列に接続したコンバータ装置と、充放電が可能な蓄電池と、直流を交流に変換するインバータユニットを複数個並列に接続したインバータ装置とを備え、前記コンバータ装置の入力に交流電源を、前記コンバータ装置の出力に前記蓄電池と前記インバータ装置を、前記インバータ装置の出力に負荷を、各々接続し、負荷電力又は負荷電流に応じて、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数を制御する無停電電源装置において、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数の切替え動作中における前記蓄電池のエネルギー充放電動作を抑制する充放電抑制手段と、前記蓄電池の代わりにそのエネルギーを補償するエネルギー補償手段と、を備える。
【００１１】
第２の発明においては、第1の発明における前記充放電抑制手段は、前記無停電電源装置から前記蓄電池を切り離すスイッチ回路とする。
第３の発明においては、第1の発明における前記充放電抑制手段は、キャパシタと、キャパシタの充放電動作を制御するキャパシタ充放電制御回路とで構成したエネルギー補償手段を、前記蓄電池と並列に接続し、前記エネルギー補償手段の出力電圧を前記蓄電池電圧より高く設定することを特徴とする。
【００１２】
第４の発明においては、第1〜３の発明における前記エネルギー補償手段は、キャパシタと、キャパシタの充放電動作を制御するキャパシタ充放電制御回路とで構成し、前記蓄電池又は蓄電池と前記充放電抑制手段との直列回路と並列に接続することを特徴とする。
【００１３】
第５の発明においては、交流を直流に変換するコンバータユニットを複数個並列に接続したコンバータ装置と、充放電が可能な蓄電池と、直流を交流に変換するインバータユニットを複数個並列に接続したインバータ装置とを備え、前記コンバータ装置の入力に交流電源を、前記コンバータ装置の出力に前記蓄電池と前記インバータ装置を、前記インバータ装置の出力に負荷を、各々接続し、負荷電力又は負荷電流に応じて、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数を制御する無停電電源装置において、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数の切替え動作中における前記蓄電池のエネルギー放電動作を抑制する放電抑制手段を備える。
【００１４】
第６の発明においては、第５の発明における前記放電抑制手段は、キャパシタと、キャパシタの充放電動作を制御するキャパシタ充放電制御回路とで構成したエネルギー補償手段を、前記蓄電池と並列に接続し、前記エネルギー補償手段の出力電圧を前記蓄電池電圧より高くすることを特徴とする。
【００１５】
第７の発明においては、第５又は６の発明における前記蓄電池の充電は、交流入力電源から交流−直流変換形の充電器を介して行う。
第８の発明においては、第５又は６の発明における前記蓄電池の充電は、コンバータ装置の出力から直流−直流変換形の充電器を介して行う。
【００１６】
第９の発明においては、第１〜８の発明における前記キャパシタ充放電制御回路は、任意の直流電圧を別の任意の直流電圧に双方向に変換することが可能な直流−直流変換回路とする。
【００１７】
第１０の発明においては、第１〜９の発明における前記キャパシタは、リチウムイオンキャパシタとする。
第１１の発明においては、第１〜９の発明における前記キャパシタは、電気二重層キャパシタとする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、キャパシタとその充放電制御回路とで構成されたキャパシタ回路を蓄電池と並列に接続して、コンバータユニット又はインバータユニットの運転台数の切替え動作中の蓄電池からのエネルギーの充放電を抑制して、キャパシタからエネルギーを充放電させるようにすることだけで、停電時の動作以外での蓄電池の充放電による劣化を防ぐことができる。その結果、装置の長寿命化を達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施例の動作を説明するための回路図である。
【図３】図２の動作説明図（負荷増大時）である。
【図４】図２の動作説明図（負荷減少時）である。
【図５】本発明の第２の実施例を示す回路図である。
【図６】本発明の第３の実施例を示す回路図である。
【図７】本発明の第４の実施例を示す回路図である。
【図８】従来の実施例を示す回路図である。
【図９】従来の実施例の動作を説明するための回路図である。
【図１０】図９の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の要点は、コンバータユニットを複数個並列に接続したコンバータ装置と、蓄電池と、インバータユニットを複数個並列に接続したインバータ装置とを備えた無停電電源装置において、負荷電力又は負荷電流に応じて、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数を制御する時、前記コンバータユニット又は前記インバータユニットの運転台数の切替え動作中における前記蓄電池のエネルギー充放電動作を抑制し、前記蓄電池の代わりにそのエネルギーを補償するエネルギー補償手段を備える点である。
【実施例１】
【００２１】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。図８の従来例と同様な機能を有するものには、同様の符号を付けている。
図１において、１は交流電源、２はｎ台（ｎは整数）のコンバータユニット（２−１〜２−ｎ）で構成されたコンバータ装置、５はキャパシタ充放電制御回路３とキャパシタ４で構成されたキャパシタ回路、６は蓄電池、７はｎ台（ｎは整数）のインバータユニット（７−１〜７−ｎ）で構成されたインバータ装置、８は負荷、９は電流検出器、１０はインバータユニットの運転台数を制御するインバータ運転台数制御回路、１１はコンバータユニットの運転台数を制御するコンバータ運転台数制御回路、１２はスイッチ回路である。
【００２２】
図１は、図８の従来例に対して、蓄電池６とスイッチ回路１２が直列に接続され、その両端にキャパシタ充放電制御回路３とキャパシタ４で構成されたキャパシタ回路５が並列に接続される。そして、インバータ運転台数制御回路１０とコンバータ運転台数制御回路１１から、キャパシタ充放電制御回路３とスイッチ回路１２に制御信号線を各々接続した構成である。
【００２３】
次に、本発明の動作を図２〜図４に基づいて説明する。図２はコンバータユニット（最大出力電流=Ｉ１：図３、図４参照）が２台（２−１、２−２）並列接続され、キャパシタ充放電回路として直流−直流変換回路の一つである昇降圧チョッパ回路を適用した場合の例である。図２において、スイッチ回路１２は、高速でスイッチを入切できる回路（例えば、半導体を適用したスイッチ回路）である。また、図３は、図２の回路例における負荷急変（負荷増加）時の各部の動作波形で、図４は負荷減少時の各部の動作波形である。
【００２４】
図３において、当初の要求負荷（電流検出器９で測定された負荷電流）がＩ１の時、コンバータ装置２の運転台数制御回路１１は、コンバータユニット２−１の運転信号をオン、コンバータユニット２−２の運転信号をオフにして、コンバータユニット２−１のみで負荷電流Ｉ１を負担している。次に、負荷急変（負荷増加）により要求負荷がＩ２（ここでは、Ｉ１の２倍の電流とする）になった時、コンバータユニット２−１だけでは負荷電流を負担できなくなるため、コンバータ装置２の運転台数制御回路１１が、コンバータユニット２の運転信号もオンにする。
それと同時に、運転台数制御回路１１は、スイッチ回路１２にスイッチ‘切’指令を、キャパシタ充放電制御回路３に‘放電開始’指令を、各々出力する。その結果、蓄電池６からのエネルギーの放電がスイッチ回路１２によって抑制され、その代わりにキャパシタ４からキャパシタ充放電回路（ＩＧＢＴＴ１、Ｔ2、直流リアクトルＤＣＬで構成された昇降圧チョッパ回路）５を介してエネルギーの放電が開始される。キャパシタは蓄電池（例えば、鉛電池）と比較して充放電サイクル寿命が極めて長いことに着目したもので、動作遅れ時間Δtの期間中の負荷への電力供給をキャパシタに負担させることで、停電動作時以外での蓄電池の充放電による劣化を防ぐことができる。
さらに、切替え動作終了後（Δｔ時間後）は、運転台数制御回路１１が、スイッチ回路１２にスイッチ‘入’指令を、キャパシタ充放電制御回路３に‘放電停止’指令を、各々出力し、コンバータユニット２−１とコンバータユニット２−２とで負荷電流Ｉ２を分担する通常動作になる。また、通常動作時に放電した分のエネルギーをキャパシタ充放電回路３を介して充電しておくことで、次回の負荷急変への対応が可能となる。
【００２５】
図４は、負荷が急激に減少した場合の動作例である。負荷が急激に減少するとコンバータ装置２の負荷電流は急激に減少するため、制御応答の遅れにより直流電圧が上昇し、蓄電池を充電することになる。これを避けるため、負荷電流Ｉ２（＝Ｉ１×２）をコンバータ２−１と２−２が各々Ｉ１を負担している状態で、負荷電流が半分に減少した時、コンバータ装置２の運転台数制御回路１１が、コンバータユニット２−２に運転停止指令を出す。これと同時に、運転台数制御回路１１は、スイッチ回路１２にスイッチ‘切’指令を、キャパシタ充放電制御回路３に‘充電開始’指令を、各々出力する。
その結果、蓄電池６へのエネルギーの充電がスイッチ回路１２によって抑制され、その代わりにキャパシタ４がキャパシタ充放電回路（昇降圧チョッパ回路）を介してエネルギーを吸収する。その後、制御応答が収束し、コンバータユニット２−２が切離された状態で、キャパシタに吸収されたエネルギーをインバータ入力へ放出し、さらにスイッチ回路１２をスイッチ‘入’指令とすることで、次への対応が可能となる。負荷電力又は負荷電流に応じて運転台数を切替える時の蓄電池の充放電動作を抑制することが可能となり、蓄電池の長寿命化を達成できる。
【００２６】
インバータ装置において、負荷電力又は負荷電流に応じてインバータユニットの運転台数を切替える場合も同様の動作で、蓄電池の充放電動作を抑制することができる。
【実施例２】
【００２７】
図５に、本発明の第２の実施例を示す。第1の実施例との違いは、第1の実施例で蓄電池と直列に接続されていたスイッチ回路１２が省略されている点である。本実施例の場合、キャパシタ充放電回路３とキャパシタ４で構成されたキャパシタ回路５の出力電圧を蓄電池６の電圧よりも高く設定し、電流制限機能を備えることにより、実現できる。
例えば、第1の実施例で示したコンバータユニットの運転台数を増加させる図３の例における動作においては、切替え時の応答遅れ時間Δｔの期間、キャパシタ回路５は蓄電池６よりも出力インピーダンスの小さな電圧源として動作するため、運転台数制御回路１１からの指令によりキャパシタ４からキャパシタ充放電制御回路３を通してインバータ装置７へ直流電力を供給する。この結果、実施例１と同様に、負荷電力又は負荷電流に応じて運転台数を切替える時の蓄電池の充放電動作を抑制することが可能となり、蓄電池の長寿命化を達成できる。
【実施例３】
【００２８】
図６に、本発明の第３の実施例を示す。第1の実施例との違いは、スイッチ回路１２の代わりに蓄電池6と直列にダイオード１３が、交流電源１と蓄電池６との間に、交流−直流変換形の充電器１４が接続されている点である。定常的には、コンバータ装置２とインバータ装置７の運転台数制御は実施例１と同様である。本実施例では、コンバータ装置２の出力とインバータ装置７の入力を接続した直流母線の電圧はコンバータ装置２により蓄電池６の電圧より高く制御される。第1の実施例で示したコンバータユニットの運転台数を増加させる図３の例における動作においては、切替え時の応答遅れ時間Δｔの期間、キャパシタ回路５は運転台数制御回路１１からの指令によりキャパシタ４からキャパシタ充放電制御回路３を通してインバータ装置７へ直流電力を供給する。この時、直流母線の電圧は蓄電池６の電圧より高いため、蓄電池６からは放電しない。
また、コンバータユニットの運転台数を減少させる図４の例における動作においては、直流母線の電圧を蓄電池６の電圧より変動分以上高く制御しているため、制御応答の遅れによる直流母線電圧の変動があっても蓄電池６からの放電は発生しない。この結果、実施例１と同様に、負荷電力又は負荷電流に応じて運転台数を切替える時の蓄電池の充放電動作を抑制することが可能となり、蓄電池の長寿命化を達成できる。
【実施例４】
【００２９】
図７に、本発明の第４の実施例を示す。第3の実施例との違いは、蓄電池を充電する充電器として、直流−直流変換形の充電器１５がダイオード１３と並列に接続されている点である。蓄電池６の電圧は直流母線の電圧より低いため、降圧形の直流−直流変換形の充電器で充電する。その他の動作及び作用効果は第3の実施例と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、無停電電源装置の例であるが、コンバータやインバータを複数のユニットで構成し、直流回路に蓄電池を接続する電動機駆動装置や、直流電源装置などへの適用も実現可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・交流電源          ２・・・コンバータ装置          
３・・・キャパシタ充放電制御回路          ４・・・キャパシタ          
５・・・キャパシタ回路          ６・・・蓄電池          ７・・・インバータ装置
８・・・負荷          ９・・・電流検出器          
１０・・・インバータ運転台数制御回路          
１１・・・コンバータ運転台数制御回路          １２・・・スイッチ回路
１３・・・ダイオード          １４・・・交流−直流変換形充電器
１５・・・直流−直流変換形充電器
【図１】
0005556258.tif 000002
【図２】
0005556258.tif 000003
【図３】
0005556258.tif 000004
【図４】
0005556258.tif 000005
【図５】
0005556258.tif 000006
【図６】
0005556258.tif 000007
【図７】
0005556258.tif 000008
【図８】
0005556258.tif 000009
【図９】
0005556258.tif 000010
【図１０】
0005556258.tif 000011